OCENA MO LIWOŒCI LOKALIZACJI DETEKTORA DO BADAÑ ASTROFIZYCZNYCH W POK ADZIE SOLI KAMIENNEJ KOPALNI POLKOWICE-SIEROSZOWICE

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "OCENA MO LIWOŒCI LOKALIZACJI DETEKTORA DO BADAÑ ASTROFIZYCZNYCH W POK ADZIE SOLI KAMIENNEJ KOPALNI POLKOWICE-SIEROSZOWICE"

Maciej Olejnik
8 lat temu
Przeglądów:

1 451 GEOLOGIA 2010 Tom 36 Zeszyt OCENA MO LIWOŒCI LOKALIZACJI DETEKTORA DO BADAÑ ASTROFIZYCZNYCH W POK ADZIE SOLI KAMIENNEJ KOPALNI POLKOWICE-SIEROSZOWICE Assessment of possibilities for underground neutrino detector location in rock salt bed in Sieroszowice-Polkowice Mine Jaros³aw ŒLIZOWSKI 1, Kazimierz URBAÑCZYK 2, Leszek LANKOF 1 & Karolina SERBIN 1 1 Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ PAN; ul. Wybickiego 7, Kraków; slizow2@min-pan.krakow.pl 2 Oœrodek Badawczo-Rozwojowy Górnictwa Surowców Chemicznych CHEMKOP Sp. z o.o.; ul. Wybickiego 7, Kraków Od paru lat trwaj¹ prace badawcze w ramach unijnego projektu LAGUNA, w których uczestniczy Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energi¹ PAN. LAGUNA jest akronimem od Large Apparatus studying Grand Unification and Neutrino Astrophysics. Chodzi tu o nowy, olbrzymich rozmiarów detektor neutrin, który s³u y³by do rejestracji neutrin reliktowych, s³onecznych, pochodz¹cych z wybuchów gwiazd supernowych, a tak e wi¹zki neutrin wysy³anej z CERN. Fizycy i astrofizycy ³¹cz¹ z nim du e nadzieje zwi¹zane m.in. z teori¹ silnych oddzia³ywañ i ich unifikacj¹ z oddzia³ywaniami elektros³abymi, potwierdzeniem rozpadu protonu i wyjaœnieniem przewagi materii nad antymateri¹ we wszechœwiecie. Celem obecnego etapu prac jest wybór lokalizacji i techniczno-ekonomiczna analiza budowy podziemnego laboratorium, w którym by³by umieszczony detektor. W projekcie rozwa anych jest siedem lokalizacji przedstawionych na figurze 1, którymi s¹: kopalnia soli potasowych Boulby w Wielkiej Brytanii, tunel Frejus we Francji, Gran Sasso we W³oszech, tunel Canfranc w Hiszpanii, kopalnia metali Pyhäsalmi w Finlandii, kopalnia Polkowice-Sieroszowice KGHM w Polsce oraz kopalnia soli Unirea w Slanic w Rumunii. Ostateczny wybór lokalizacji zale eæ bêdzie od kosztów wykonania infrastruktury, oceny bezpieczeñstwa funkcjonowania laboratorium w przewidywanym okresie 50 lat i wzglêdów fizykalnych, tj. odleg³oœci od CERN w Genewie oraz t³a naturalnej promieniotwórczoœci. Celem prac prowadzonych IGSMiE PAN by³o rozwa enie mo liwoœci wykonania komory dla detektora typu Glacier w kszta³cie cylindra o œrednicy 74 m i wysokoœci 38 m, mog¹cego pomieœciæ 100 kt ciek³ego argonu.

2 452 J. Œlizowski, K. Urbañczyk, L. Lankof & K. Serbin Fig. 1. Rozmieszczenie siedmiu potencjalnych lokalizacji laboratorium Brano pod uwagê dwie mo liwoœci lokalizacji komory detektora: pok³ad soli najstarszej, zalegaj¹cej na g³êbokoœci ok 1 km, pok³ad anhydrytu zalegaj¹cego na g³êbokoœci ok. 650 m p.p.t. Dotychczas nie wykonywano tak du ych wyrobisk zlokalizowanych na tej g³êbokoœci i projektowane prace bêd¹ przedsiêwziêciem nowatorskim w skali œwiatowej. Przeprowadzone wstêpne rozpoznanie wykaza³o e wykonanie takiej komory jest mo - liwe tylko w jednorodnej i niezaburzonej tektonicznie warstwie skalnej soli lub anhydrycie, przy zachowaniu odpowiedniej odleg³oœci od jej granicy. Przyk³ad destrukcji górotworu na pograniczu warstw przedstawia figura 2. W pierwszej kolejnoœci analizowano mo liwoœæ lokalizacji komory w warstwie soli. Wykonano studium parametryczne okreœlaj¹ce wp³yw rozmiarów wyrobiska na zasiêg jego oddzia³ywania. W przypadku soli kamiennej zasiêg ten jest bardzo du y ze wzglêdu na jej silne w³aœciwoœci reologiczne, które powoduj¹ redukcjê naprê eñ efektywnych na brzegu komory (w porównaniu z oœrodkami sprê ystymi) i ich wzrost w g³êbi ociosu. Przedstawia to figura 3, na której porównano zasiêgi oddzia³ywania dla trzech rozmiarów komór.

3 Ocena mo liwoœci lokalizacji detektora do badañ astrofizycznych Fig. 2. Zniszczenie ociosu chodnika na kontakcie warstw soli i anhydrytu Fig. 3. Naprê enia efektywne w górotworze solnym dla ró nych rozmiarów komór

4 454 J. Œlizowski, K. Urbañczyk, L. Lankof & K. Serbin A) B) Fig. 4. Dopasowania do pomiarów konwergencji in situ w kopalni Sieroszowice. Prawo Lubby2: A) konwergencja horyzontalna; B) konwergencja pionowa

5 Ocena mo liwoœci lokalizacji detektora do badañ astrofizycznych Podstawowe znaczenie dla mo liwoœci zastosowania wyników ma prawo pe³zania u yte w obliczeniach. Z tego powodu wykonano niezale ne symulacje, stosuj¹c dwa ró ne prawa pe³zania Nortona i Lubby2, których parametry, zgrubnie okreœlone na podstawie badañ laboratoryjnych prób soli, uœciœlono, dopasowuj¹c do przemieszczeñ in situ zmierzonych w kopalni Sieroszowice (Fig. 4). G³ówny problem lokalizacji detektora w warstwie soli zwi¹zany jest jednak z konwergencj¹, czyli zaciskaniem siê wyrobiska w czasie. Ocenê tego zjawiska oparto na obliczeniach numerycznych symuluj¹cych zachowanie siê ska³ solnych w otoczeniu komory modelami numerycznymi dwu- i trójwymiarowymi. Stwierdzono, e wysoka konwergencja komory stanowi problem przy jakiejkolwiek lokalizacji komory w pok³adzie soli. Mimo e warstwy anhydrytu mog¹ ograniczyæ przemieszczenia w górotworze solnym, to przy rozpatrywaniu 50-letniego okresu u ytkowania komory trzeba siê liczyæ z przemieszczeniami rzêdu kilku metrów, co przedstawia figura 5. Do podobnych wniosków prowadzi równie ekstrapolacja rejestrowanych w kopalni przemieszczeñ konturów wyrobisk na wyrobisko wiêkszych rozmiarów. Wyniki prac badawczych wskazuj¹ wiêc na brak odpowiedniego marginesu bezpieczeñstwa przy tak kosztownej inwestycji. Z tego powodu ostatecznie zarekomendowano lokalizacjê komory w pok³adzie anhydrytu, po pozytywnym zweryfikowaniu jej statecznoœci w modelowaniach. Niezale nie od IGSMiE PAN analizê statecznoœci wykona³o KGHM Cuprum, dochodz¹c do identycznych wniosków (Pytel 2004, Œlizowski & Urabñczyk 2004). Fig. 5. Przemieszczenia œcian komory zlokalizowanej w pok³adzie soli kamiennej

6 456 J. Œlizowski, K. Urbañczyk, L. Lankof & K. Serbin LITERATURA Pytel W., Salt cavern stability analysis preliminary study. KGHM Cuprum, Wroc³aw. Œlizowski J. & Urbañczyk K., Influence of depth on rock salt effort around the single chamber. IGSMiE PAN, Kraków. Summary The Mineral and Energy Economy Research Institute of the Polish Academy of Sciences has been participating in the EU LAGUNA project for a few years. LAGUNA is the acronym for Large Apparatus studying Grand Unification and Neutrino Astrophysics. It means a new, huge detector of neutrinos, which could be used to register relic, solar and supernovae neutrinos as well as neutrino beams emitted from CERN. Physicists and astrophysicists have great expectations of the detector connected with strong interactions theory and grand unification, proton decay search, or accounting for dominance of matter in the Universe. Seven potential localizations, presented in figure 1 are considered in the project, including potash mine Boulby in the UK, Frejus tunnel in France, Gran Sasso in Italy, Canfranc tunnel in Spain, metal mine Pyhäsalmi in Finland, Polkowice-Sieroszowice mine which is part of LGOM (Legnica-G³ogów Cupper Area) in Poland and the salt mine Unirea in Romania. The final selection of location will depend on cost of the investment, safety assessment for the planned period of 50 years of functioning of the laboratory and on physics reasons like the distance from CERN in Geneva and the background of natural radioactivity. The aim of the work of the IGSMiE PAN was to asses the possibilities of excavation of a chamber for detector Glacier, which is a cylinder with a diameter of 74 m and a height 38 m filled with 100 kt of liquid argon. Two types of geological structures were considered: 1) rock salt bed (PZ1) at about 1 km depth, 2) anhydrite layer at a depth of about 650 m below ground level. Such large-scale chambers have not yet been excavated at this depth and the proposed work would be an innovative project. A preliminary study has shown that the excavation of such a chamber is possible only in a homogeneous and tectonically stable layer of rock salt or anhydrite, while maintaining sufficient distance from the border. Example of rock destruction at the border of layers is shown in figure 2. Location of chamber in rock salt was considered at first. The numerical calculations (parametrical study) were carried out to determine the effects of excavation size on the range of chamber influence on rock massif in chamber vicinity. In the case of rock salt, the range of influence is very large due to its strong rheological properties, which cause reduction of effective stress at the chamber wall (as compared to elastic bodies) and an increase at the chamber bottom. Figure 3 shows the comparison of chamber influence ranges for three sizes of chambers.

7 Ocena mo liwoœci lokalizacji detektora do badañ astrofizycznych Creeping law is of essential importance to modeling results applicability. For this reason, two creeping laws were independently used in the simulation: Norton law and Lubby2 law. Parameters in these laws, roughly estimated after laboratory tests of salt samples, were next fitted to the displacements measured in situ in the Sieroszowice mine. However, the main problem of detector location in the layer of rock salt is associated with the convergence i.e. loss of chamber volume in time. Analyses of the issue were based on numerical calculations that simulate the behavior of rock salt in the chamber vicinity using two and three-dimensional numerical models. It was found that the high convergence of the chamber would be a significant problem for any location in rock salt. Although anhydrite layers restrict the movement of rock salt massif, considering the 50-year period of chamber operation one may think of several meters of chamber wall displacement as shown in figure 5. Similar conclusions were deduced from an extrapolation of the wall displacements measured at the mine galleries to the chamber of larger dimensions. The results of the research showed a lack of a sufficient margin of safety for such a costly investment. Finally, anhydrite layer was recommended as the host rock formation for the detector chamber, and its stability was positively verified in modeling. Besides IGSMiE PAN, independent stability assessment was performed by KGHM Cuprum leading to the same conclusions (Pytel 2004, Œlizowski & Urbañczyk 2004).

Podobne dokumenty

Projekt podziemnego laboratorium w Polsce - SUNLAB. Małgorzata Harańczyk Instytut Fizyki Jądrowej PAN Astrofizyka Cząstek w Polsce, 5.03.

Projekt podziemnego laboratorium w Polsce - SUNLAB Małgorzata Harańczyk Instytut Fizyki Jądrowej PAN Astrofizyka Cząstek w Polsce, 5.03.2013 Plan 1. Historia 2. Lokalizacja 3. Pomiary naturalnej promieniotwórczości